水下机器人路径规划

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学生：韩志学导师：张铭钧教授专业：机械电子工程

海流作用下水下机器人区域探测规划方法水下机器人国内外开展及研究现状图1美国的AUSS

图2“CR-01〞6000米自治水下机器人

Coordinatedvs.RandomSearch

(withYangangZhang,MarkSchervish,StatisticsDept,CarnegieMellon)CoordinatedGuaranteesEfficientStronglocalizationrequirementsMoresensorsRandomNoguaranteesInefficientNolocalizationrequirementsLowercomputerbudget

课题研究的目的与意义区域探测是自主式水下机器人的主要应用之一。水下机器人区域探测是指在水下机器人对环境信息未知的情况下，根据给予的指令和探测到的信息，无遗漏的完成给定区域内所有目标的搜索、定位及识别。以往的水下机器人区域探测规划中一般不考虑海流的影响，这使得控制器在完成规划器输出轨迹及艏向实现上难以到达理想效果，且造成较大的附加能量消耗。由于工作环境的复杂性和不确定性，在水下机器人运动及作业过程中，海流对轨迹、航向控制等均有很大影响，单纯从控制方面改善和提高水下机器人的运动控制性能难以到达理想效果。本课题来源于总装备部跨部门预研工程“智能水下机器人〞的研究课题，主要研究海流作用下的水下机器人区域探测规划方法，使水下机器人以尽可能短的时间和能量消耗来完成给定区域的探测任务，具有适复杂海洋环境的智能规划能力。论文主要研究内容海流作用下边探测边识别区域探测规划方法设计海流作用下先探测后识别区域探测规划方法设计基于滚动窗口的探测区域内总体探测算法基于关键点的探测窗口内目标接近与识别基于模糊控制的两点间局部路径规划基于TSP最短路径问题的全局路径规划作业环境与声呐配置作业环境作业任务要求探测范围为2000×500m，探测环境未知，水下障碍物及目标的类型、大小、形状、分布未知，海流的大小、方向按要求设定。声呐配置水下机器人上配有前视探测声呐和3维成像声呐两种类型的声呐；其中前视探测声呐水平方向的开角为90度，最大探测范围为200m；3维成像声呐水平方向的开角为15度，最正确成像距离为10m。

海流对水下机器人运动影响分析

水下机器人在有海流环境中航行时，不可防止要受到海流产生的流压力〔矩〕作用，其结果使水下机器人运动或转向的阻力发生变化，并产生漂流运动。流压力是水下机器人受到的最主要的环境力，其数值大小直接影响推力分配，由船舶操纵性理论可知，当海流方向与机器人首尾线垂直时，机器人所受的横向力最大。此外，当海流力作用中心与水下机器人回转中心不一致时，海流作用将使水下机器人产生转艏力矩；另一方面，当水下机器人受到流压时，本体将向流向漂移，从而产生阻止其漂移的水的反作用力，其结果也给水下机器人以转艏力矩，这种海流产生的转艏作用，一般通过“压舵〞的方法来抵抗来流以保持航向，而保向所需的操舵量与流速的平方成正比，与机器人速度的平方成反比，并且流向越是靠近横向所需操舵量越大。因此在水下机器人路径规划中就应考虑海流作用，以减少为抵抗海流力所需的控制推力，提高机器人运动控制精度和减少能量消耗。边探测边识别探测规划方法设计一单元划分区域探测的关键是无遗漏的探测出给定区域内的所有目标，并在给定的误差范围内确定目标的位置，由于水下机器人事先不知道目标的分布，数量及环境信息，所以必须使其传感器扫过区域内的每个点，以实现完全覆盖式探测。水下机器人在有海流的水域中航行时，海流的影响使水下机器人偏离预定轨迹和航向，因此，在对水下机器人进行路径规划时必须考虑海流的影响，使海流对水下机器人的影响尽量小。基于区域探测方法中最优分解的原理，把总探测区域分成与探测边界平行的单元区域。为了减少海流对水下机器人运动的影响，当海流方向更接近X轴时〔既海流在经度方向的分量大于在纬度方向的分量时〕，进行横向单元分解；当海流方向更接近Y轴时〔既海流在纬度方向的分量大于在经度方向的分量时〕，进行纵向单元分解。两种类型的单元划分如图3、4所示。说明：1.根据水下机器人探测声呐响应范围，把探测区域分成如图C1与C2两个单元，两个单元的方向与横向边界方向平行，大小为250m×2000m。2.考虑到水下机器人定位误差，传感器本身测量误差，及运动过程中海流等干扰的影响，单元的上下、左右边界各超出探测区域20m，两单元重叠20m。3.起始点〔A)、各分目标点〔B,C)及终止点(D)，作为水下机器人运动过程中的关键点。图3横向单元分解C1C2ACBDStartEndC1图4纵向单元分解说明：1.根据水下机器人探测声呐响应范围把探测区域范围分成如下图C1-C8八个单元，各单元的方向与纵向边界方向平行，大小为280m×540m。2.考虑到水下机器人定位误差，传感器本身探测误差，及运动过程中海流等干扰的影响，单元的左右边界各超出探测区域20m，靠近左右的两单元重叠25m，中间的5个单元重叠30m。3.起始点〔A)、各分目标点〔B-O)及终止点(P)，作为水下机器人运动过程中的关键点。C8ABCOPStartEnd二基于滚动窗口的探测区域总体探测算法进行单元划分根据海流方向水下机器人开始探测水下机器人继续前进发现有效目标进行目标识别未发现有效目标图5边探测边识别总体探测算法原理框图水下机器人首先根据海流大小、方向把探测区域划分为横向或纵向单元，然后前进一步并刷新当前探测窗口内的环境信息，如果当前探测窗口内没有目标，那么机器人继续前进，如果发现目标，那么机器人首先根据数据库中已标记目标的特征信息，来确定该目标是否是已侦察过的目标，即是否为有效目标，如果不是有效目标，那么不响应声呐的返回信息，机器人继续前进；如果是有效目标，那么转入探测窗口内目标接近与识别探测算法，当机器人完成一个单元的探测时，转入两点间路径规划算法来完成单元间的移动，当完成全部单元探测时，整个区域探测结束，其原理框图如图5所示。三基于关键点的探测窗口内目标接近与识别

确定局部中断点机器人运动到减速区关键点并成像确定并运动到第一个不可识别第三个关键点确定并运动到返回局部中断点对目标进行标记可识别关键点并成像确定并运动到第二个图6边探测边识别探测窗口内探测算法原理框图

水下机器人在当前探测窗口内发现有效目标时，首先根据当前位置与目标的距离判断是否已到达减速区，如尚未到达减速区，机器人继续前进直至到达减速区，然后记录当前点作为局部中断点。在对目标进行识别时，首先根据声呐返回信息确定目标轮廓关键点，即目标的轮廓变化趋势有突变的点，再根据当前海流方向信息结合最正确3维成像距离确定目标探测关键点，然后水下机器人运动到探测关键点，调整好艏向，对目标进行成像，从而完成对目标的识别，其原理框图如图图6所示。

四基于模糊控制的两点间局部路径规划水下机器人探测窗口内关键点之间的运动及机器人偏航、返航及单元间移动局部均属机器人两点间路径规划问题，解决这一问题的根本算法有人工势场法、确定栅格法、模糊逻辑法等，人工势场法存在局部最优解问题，容易产生死锁现象，而确定栅格法存在信息存储量大、运算时间长的缺陷，不适合本文中对信息存取实时性要求。模糊逻辑法不需要环境的解析模型，并具有良好的实时性及对误差的不敏感性，可以避开传统算法中对机器人定位精确性、环境信息依赖性的缺点。因此，本文探讨了基于模糊逻辑的两点间路径规划方法。

传统的水下机器人模糊规划器输入量只有单纯的距离信息，这使得水下机器人在可选择性操作时目的性不强。为克服这一缺陷，本文将水下机器人与当前目标点偏离的航向角也作为模糊规划器的输入变量之一，并在隶属度函数确定上，考虑了其正负性，使水下机器人始终遵循与当前目标点夹角为零的趋势运动，从而可以使得水下机器人运动行程尽量短。此外，本文的算法中还把海流方向与机器人当前方向的夹角也作为模糊输入量之一，来参与决策模糊规划器的输出，例如，当水下机器人前方有障碍时，根据海流方向信息来决定是左转还是右转，从而使水下机器人模糊推理进一步智能化和合理化。

模糊化反模糊化模糊推理模糊规那么水下机器人环境信息说明：1.水下机器人通过外部传感器获得环境信息，通过内部传感器感知水下机器人的当前状态，两种传感器的信息作为模糊规划器的输入。2.将传感器得到的精确量处理成模糊规划器能接受的模糊量，根据模糊推理规那么给出模糊输出量，经反模糊化后得到精确输出量。3.上述过程不断被重复执行，直到机器人到达目标点。图7水下机器人模糊规划器

目标方向信息前方障碍物信息左方障碍物信息右方障碍物信息模糊推理

机器人前进方向海流方向信息图8水下机器人模糊推理框图

先探测后识别规划方法设计

进行单元划分根据海流方向水下机器人开始探测继续探测直到探测完毕发现有效目标目标识别未发现有效目标较近目标全局路径规划对未识别目标进行较远目标一基于滚动窗口的探测区域总体探测算法水下机器人首先根据海流大小、方向划分探测区间，然后机器人前进一步并刷新当前探测窗口内的环境信息，如果当前探测窗口内没有有效目标，那么机器人继续前进，如果发现有效目标，且目标与机器人当前距离在“较近〞范围内，那么机器人对目标进行接近和识别，否那么，机器人只记下目标的位置，不对目标进行接近和识别，待区域全部探测完毕后，再采用全局路经规划算法来完成对所有未探测目标的识别。算法的原理框图如图9。图9先探测后识别总体探测算法原理框图

二基于TSP问题的全局路径规划算法

TSP问题是指给定一个城市集合和城市间的距离，求经过所有城市恰好一次的最短回路。目前对于该类问题的研究主要有两个方向：完全算法能保证得到最优解，但是运行时间是指数复杂度的，因而难以适应大规模的实例；近似算法那么只要求找到近似解，而在多项式时间内结束。在水下机器人区域探测中，时间最少与能量最省是我们追求的目标，因此，综合评价函数要对应机器人实际行程以及行程与海流方向夹角两个参数。为了使水下机器人在路径规划中充分考虑海流影响，使水下机器人在探测时间和能量消耗上尽量减少，本文提出了当量行程的概念，在TSP问题中以当量行程代替实际行程。实际行程到当量行程的转化，主要是根据当前路径与海流方向的夹角来对实际行程赋予不同的权重，其总体原那么是顶流走权重被赋为最小，横向来流时机器人权重被赋为最大，不同海流角的权重W(θ)通过试验测定。

在本文研究的具体问题中，由于目标数目比较少，为追求精确解，且试验证明求解时间不影响机器人信息处理实时性的情况下，采用如下方法来计算本文中的TSP问题。计算各目标之间的当量行程调用TSP最短路径计算程序调用两点间路径规划算法遍历最初的两个目标在目标点调用目标识别程序全部目标点已遍历？用新目标点代替旧目标点结束初始化各参数图10基于TSP问题的全局路径规划算法程序流程图

实验仿真图11仿真程序界面

为了检验本文设计的区域探测规划方法的有效性和可行性，在计算机上进行了仿真研究。仿真程序采用基于Windows2000操作系统的VisualC++编程环境。仿真程序启动后，界面如图11所示。图12海流方向23度时边探测边识别方法的仿真结果

图13海流方向117度时边探测边识别方法的仿真结果

图14海流方向23度时先探测后识别方法的仿真结果

图15海流方向117度时先探测后识别方法的仿真结果

图16海流方向23度时目标接近与识别的仿真结果

图17海流方向67度时目标接近与识别的仿真结果

结论对海流作用下水下机器人区域探测规划方法进行了探讨，提出了在规划阶段即考虑海流影响的思想，设计了边探测边识别和先探测后识别两种探测方法。提出了根据海流方向划分探测区间的单元划分方法，以尽量防止横向流对水下机器人造成的负面影响；在局部探测和识别的规划方法中采用顶流策略，配合相应的策略和算法，实现了水下机器人